工程軟件應用類課程的多元化開放式考核方式設計與研究

楊帆 王莉華 趙金峰

摘要：本文基于同濟大學CAD/CAE課程的教學實踐，針對工程軟件應用類課程的考核方式研究少、主觀性強、可控性差的現狀，討論了這類課程考核設計的難點和準則，并分享了筆者運用多元化開放式理念來設計工程軟件應用課程的考核方式的經驗。

關鍵詞：工程軟件應用；考核方式；多元化；開放式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）13-0139-03

隨著計算機技術在制造工業中的大量應用，計算機輔助設計、優化和管理已成為工業界提高生產研發效率的重要途徑，工程軟件的應用也成為理工科大學生必須掌握的核心技能之一。因此，多數高等院校工程專業都開設了軟件應用類課程，這些課程在可預期的將來會占據愈發重要的地位。但是，由于工程軟件應用類課程屬于新鮮事物（CAD/CAE課程出現至今只有二十多年），針對該類課程的教學研究還較少。由于軟件應用課程本身的特點，其考核方式的設計具有許多難點，這給我們教育工作帶來了傳統課程所未遇到過的挑戰。本文基于筆者的教學實踐經驗，討論了工程軟件類課程的考核方式的設計特點與注意事項，并給出了一些自己的想法。

一、軟件應用類課程的特點和教學研究現狀

軟件應用類課程不同于傳統課程，它不借助于紙和筆的推導演繹，而是通過大量的計算機操作實踐來掌握所學技能，對學生思維的要求也有自身的特點。具體而言，這類課程的特點如下：（1）知識點分散且呈扁平化分布。軟件應用課程的門檻不高，雖然堅實的理論儲備可以加深理解，但就課程內容而言，只要會基本的計算機操作即可進行學習，不需要高深的數學知識，可謂“不難”，但是想學好卻不容易，因為需要掌握的知識點（即操作技能）很多，相互間聯系也較少，且每個知識點都不可或缺，不易分出主要和次要點。一個作業的完成需要順利完成所有的操作步驟，這必須通過大量學習和練習才能掌握，可謂“很煩”。（2）注重實踐。軟件應用必須通過大量的上機練習才能掌握，單憑課堂上的聽講是不可能真正學會一個軟件的。對錯也必須通過實踐來檢驗，一個建模方案是否可行，必須上機試過才能得出結論。實踐時間的長短基本上可以決定軟件掌握的熟練程度。（3）較強的靈活性和開放性。每項作業的完成都沒有固定的解題途徑，每個目標都有多個實現方案。建立一個復雜零件的模型，可以用加材料的辦法，也可以用減材料的辦法。模擬一個板的沖壓成型，可以用板殼單元，也可以用實體單元。不同建模方法得到的不同結果也很難說誰對誰錯，只能說誰的精度高，誰的機時使用少。這些特點使得適用于傳統課程的教學方法不一定適用于軟件應用類課程，這就更需要對其進行教學方法上的研究和探索。

國外高校在這方面的研究先行了一步。早在1993年，Comer和 van Gulick[1]就在結構力學的教學中穿插了有限元軟件使用的講解。Black和Duff[2]強調了軟件的應用與理論知識學習的相輔相成。Dong等[3]展示了ANSYS在結構力學中的應用，強調軟件教學離不開基本概念的理解，避免出現“Garbage in，garbage out”的情況。國內也逐漸出現了一些針對工程軟件課程的教學研究。田和強等[4]在CAD/CAE軟件課程教學中引入了“翻轉課堂”的教學理念，將教學過程分解為學生自主學習、課堂知識內化、總結與反思幾個階段，使學生成為課堂教學的主體，教師起著引導者的作用。汪中厚等[5]強調了理論學習和上機實踐的結合在CAE課程教學中的重要性。滕一峰[6]基于建工專業CAD軟件應用課程的教學實踐，提出了注重介紹軟件的基本命令，加強結合實例進行講解以及重視上機操作等幾點建議。

以上教學研究從不同方面對軟件應用類課程教學改革提供了思路，但是針對其考核方式的研究目前還未找到。本文將在工程軟件應用類課程的考核設計方面做初步探索。

二、工程軟件應用類課程的考核設計的困難與準則

軟件應用類課程的上述特點給該類課程的考核設計帶來了很大困難。一方面，大型工程軟件的知識點眾多且分散，很難在有限的時間內考核全部知識點，且每個知識點沒有難易之分，只有常用和不常用之分。由于每個學生的特點和熟悉的領域不一樣，掌握的知識點范圍各有不同，這就很難通過一次統一的考核來公正評價每個學生的學習水平。另一方面，軟件使用的靈活性使得定量衡量學生的表現變得困難。一個有限元模型可以有多種網格劃分方案，每種劃分方案的好壞很難進行定量判定，只能遵循幾條大體的準則進行定性比較。一個仿真結果是否合理，即使學術界也沒有一致的答案，只能權衡精度和效率進行綜合評定。即使評判精度也要涉及網格細分敏感性驗證、提高精度的p方法和h方法、局部收斂和全局收斂、解的穩定性等內容，這又往往超出了課程教學范圍。此外，還面臨一些別的困難，比如：電子文檔的易拷貝性，使得學生作弊行為變得更加防不勝防。大型工程軟件完成一個算例需要很長時間，很難在傳統考試規定的時間內考察多個考題，這些困難給軟件應用課程的考核設計帶來了傳統課程所無法遇到的挑戰。

由于軟件應用類課程面臨的這些挑戰，教師在設計課程考核方式時應當分外小心。有幾個準則尤其需要遵循：（1）公平性準則，不能簡單按照一個單一準則（比如仿真結果的精確度）來評判學生的作業完成情況，也不能通過一個仿真建模問題的考試來決定學生的成績。（2）客觀性原則，由于軟件掌握熟練程度很難定量度量，教師在評判學生成績時很容易帶入主觀成分。比如，應用網格劃分軟件時，有的教師自己習慣于在孔邊加上Washer放射狀網格結構，因此給采取相似做法的學生以高分。事實上，添加Washer結構并不一定能提供計算精度，這取決于孔的大小及周邊其他單元形狀。再比如，早些接觸ANSYS的教師會更習慣在ANSYS傳統界面進行建模，但越來越多的學生習慣于在ANSYS/Workbench界面進行建模，畢竟界面更加友好，教師不能因為自己的習慣而對使用ANSYS/Workbench建模持有偏見。

以上準則其實對任何課程都適用，只是由于軟件應用類課程的獨特特點，遵守這些準則有了額外難度，需要特別的考核設計。下面筆者基于自己的實踐，給出一些初步想法。

三、多元化開放式考核方式的設計初探

筆者承擔了三門本科生CAD和CAE軟件應用類課程，涉及CATIA、HYPERMESH、ABAQUS、ANSYS四種軟件的教學。下面將基于這三門課的教學實踐經驗來淺談高校工程軟件類課程的多元化開放式考核設計方法，以期起到拋磚引玉的作用。

1.針對軟件應用類課程知識點分散和靈活性強的特點，采取多元化的評價體系，將課堂表現、平時作業和期終考試綜合起來進行考察。在最終的成績中，期終考試占50%，平時作業占30%，課堂表現占20%。為了真實反映學生的掌握程度，所有考察都基于上機實踐。平時作業布置3次左右，每次作業除了緊跟課程進度外，還突出多樣性，如三維建模與網格劃分課程（講授CATIA和HYPERMESH）。3次作業分別為裝配設計、實體零件建模與網格劃分、薄殼結構建模與網格劃分，這樣能兼顧到不同學生的知識結構和興趣特長。隨堂練習也注重多樣化，既有三維問題，也有二維問題，既有靜態問題，也有動態問題，涵蓋機械、土建、航空等不同行業。

2.將開放式理念貫穿在整個考核設計中。在平時教學中，鼓勵學生用多種功能和途徑完成作業和隨堂練習。期終考試采取開卷形式，允許自帶筆記本電腦，允許上網查閱資料，但嚴禁相互交流。針對軟件應用多樣化和操作耗時長的特點，考題設計采取三選一的方式，即出三道題，學生任選一題上機完成。考題題目說明應明確和簡潔，避免出現歧義。實現方案和模型特征除題目明確要求外，學生可自由發揮。所選模型應是生活中常見的結構，避免有學生不熟悉的情況，并能使學生體會到所學知識在生活中的應用價值。

在多元化開放式考核設計中，公平性準則可通過以下措施來保證：（1）多樣化的題目可兼顧不同特點的學生。（2）多選一的考題設計，事先應由教師和研究生助教先做一遍，確保每題難度和耗時一致。（3）選擇易體現差異性的文件進行評價，如三維建模與網格劃分課程中選擇網格模型文件*.hm而不是幾何模型文件*.CATpart，因*.hm文件不同人做的結果多少都不一樣，這樣可以有效防止作弊。另一方面，多元化開放式考核設計也保障了客觀性，這體現在：（1）多渠道考核方案可更加客觀地體現學生水平。（2）采用多指標而不是單一指標來評價學生的答題，如對有限元模型，將網格劃分質量、分析步和單元類型的選擇、載荷和邊界條件的設置、計算量的控制多個因素納入考察范圍進行綜合評價，評價分數由各因素對應的細分分數加權得到。（3）盡量將評價指標定量化，依據軟件功能或已知解來進行客觀地打分，如網格劃分質量可參考HYPERMESH軟件的Quality Index分數，有限元模型的精度可由關鍵量與已知解的相對誤差判定，計算耗時可從輸出文件（*.log或*.dat）讀出。（4）教師應緊跟軟件發展步伐，不斷更新知識，避免用戶習慣產生的成見。

四、小結

本文針對工程軟件應用類課程的特點討論了這類課程考核設計面臨的困難和應遵循的準則，并論述了多元化開放式的考核設計方法及在同濟大學CAD/CAE課程中的應用，本文希望對新工科建設中的計算機應用課程的改革提供了參考。

參考文獻：

[1]Comer J.J.，van Gulick，L.A.Finite element method in undergraduate engineering education[J].Computer Applications in Engineering Education，1993，（4）：299-306.

[2]Black，R.G.，Duff，S.A model for teaching structures：finite element analysis in architectural education[J].Journal of Architectural Education，1994，（1）：38-55.

[3]Dong，D.，Teng，Y.，Mei，X.The application of ANSYS on the teaching of structural mechanics[J].Engineering Education and Management，2011，（2）：419-422.

[4]田和強，蘇春建，李桂莉，等.基于翻轉課堂的機械類專業CAD/CAE軟件課程教學設計[J].教育教學論壇，2014，（9）：158-159.

[5]汪中厚，曹歡，劉欣榮.基于理論知識的CAE課程教學改革[J].教育探索，2015，（1）：111.

[6]滕一峰.淺議建工專業CAD課程的教學革新[J].中國觀代教育裝備，2007，（7）：68-69.